(7) 二次元 MEMS ミラーアレイデバイスの開発

加藤静一
株式会社リコー
１．背景と目的研究開発本部

東北研究所

ストおよびストッパが形成され、ミラー下にはピボッ近年の MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）トが設けられている。ミラーを支持するねじり梁ヒン技術の発達により、多数の微細なミラーを LSI 基板上ジは存在せず、ポストとストッパの作る空間でピボッに製作し、個別に動作制御することが可能になっていトを支点とし自由に傾斜できる。ミラーに対向しピボる。このような二次元 MEMS ミラーアレイは空間変調器

ットを囲むように 4 つの電極が配置されており、これとして、プリンタ，ビデオプロジェクタ，マスクレスらの電極からの静電誘導によりミラー電位が誘起され露光機などへの応用が検討されている 1‑3)。これらの応る。これにより電極とミラー間に静電力が発生しミラ用では、高解像度かつ高い階調性が求められ、さらにーを傾斜変位させることができる。傾斜したミラーとより高密度で高速のスイッチング速度が要求されてきストッパは非接触で、ミラーの偏向角はミラーサイズている。多くのミラー型空間変調器では、ねじり梁ヒとピボット高さからなる傾斜角により設計することがンジという板バネで吊られたミラーを静電力や電磁力できる。

で駆動する方式がよく用いられている。ビデオプロジ
ェクタ用ミラーデバイスではフィルファクタを向上す

MirrorStopper

るため、ミラー下にヒンジを形成する複雑な構造がとられている例 4)もある。ねじり梁ヒンジでミラーを支持する構造では高解像度を得るためミラーサイズを縮小すると、ねじり梁ヒンジの剛性が増加し駆動エネル

Electrode
Pivot
Post
(beneath mirror)(a)

ギーの増大を招く。
我々はねじり梁ヒンジを用いない新規構造の静電型(b)Fig.1 Schematic structure of device.

二次元ミラーアレイを開発したので報告する。このデバイスは構造がシンプルで、バネ剛性による反発力が３．動作原理生じないためミラーを小型化しても駆動力すなわち駆Fig.2(a)と(b)に本デバイスの電極の構成とミ動電圧が極端に増加しない。さらにヒンジを持たず傾ラー偏向のための印加電圧例を示す。ミラーは電斜方向が一軸に制限されないため、傾斜の向きを自在極とミラー間の電位差による静電力で傾斜変位に選択でき二軸の光偏向が可能である。

する。ミラー電位 Vm は電極からミラーに静電誘導で誘起され、次のように求めることができる。
電極 A，電極 B，電極 C，電極 D とミラー間の静２．デバイス構造
Fig.1 は開発した二次元ミラーアレイの概略図であ

電容量をそれぞれ Ca，Cb，Cc，Cd とすると本デる。(a)はアレイ内の 1 ピクセルを、(b)は二次元アレバイスの等価回路は Fig.2(c)のようになる。ミイを示している。電極を示すため、(a)においてはミラ

ラーは電気的に浮いており各電極から誘導されーの一部を、(b)においてはアレイ中央の二枚のミラーる電荷の総和は零で、かつ各電極に対する電荷量をそれぞれ取りさった。ミラーの各コーナー付近にポは-1-電荷量＝静電容量×（電極電位‑ミラー電位）Fig.2(a)では、電極 A，電極 B，電極 C，電極 Dであるので、の電位はそれぞれ、V，‑V，0，0 に印加される。

Ca(Va‑Vm)+Cb(Vb‑Vm)+Cc(Vc‑Vm)

Va＝V，Vb＝‑V，Vc＝0，Vd＝0 であるので、ミラ+Cd(Vd‑Vm)＝0

ー電位 Vm は 0V となる。となる。上式より、ミラーのフローティング電位

このときミラーへの静電力は電極 A と電極 B

Vm は次式で示される。に発生するが、電極 C と電極 D はミラーと同電位

Vm＝(CaVa+CbVb+CcVc+CdVd)/(Ca+Cb+Cc+Cd)

であり静電力が生じない。この静電力でミラーは各電極のミラーに対向する面積が同じであり、ミ電極 A，B 側に傾斜変位する。一方、Fig.2(b)でラーが電極 A, 電極 B 側と電極 C, 電極 D 側の間は、電極 A，電極 B，電極 C，電極 D の電位はそで傾斜変位する場合、傾斜変位中の角度に関わられぞれ、0，0，V，‑V に印加され、ミラーの電位ず静電容量の関係はは 0V となる。電極 A，電極 B 側はミラーと同電

Ca＝Cb，Cc＝Cd位で静電力は生じない。電極 C，電極 D にはミラである。

ーと静電力が発生し、ミラーは電極 C，D 側に傾斜変位する。さらに、4 電極の電位の組み合わせ

Electrostatic force
mirror:~0v

Electrostatic force
mirror:~0により、前述のミラー変位と直交する方向への傾斜変位させることも可能である。

４．動作シミュレーション

ACACBDBD

K. Jung らの報告 5)を基に下記(1)，(2)，(3)の仮定によって、本デバイスの動作を Fig.3 のような簡単なモデルでシミュレーションを行うこ

A：V, B:-V, C:0, D:0

A：0, B:0, C:V, D:-V(a)(b)とができる。
(1) ミラーの傾斜による移動距離 d は、平行平板ミラーの（3/4）d から（1/4）d までの並進運動距離に等価である。

Va

Vc(2) 並進移動距離は m 個の微小距離（⊿d，d/2

電極A電極C＝m⊿d）に分割できる。但し静電力は⊿d の間一Ca

Cc定である。

Vm ミラー電位される。

Cd ミラーCb(3) ミラーの質量 M による運動エネルギーが保存

3.動作原理の項で述べたように電圧 V がミラ

電極B

Vb

電極Dーと電極間に印加される。

Vdi 番目の微小距離における、静電力（Fi）、加速(c)度（ai）、速度（vi）、時間（ti）の関係は式(1)，(2)，(3)，(4)のように記述される。ε0 は真空中

Fig.2 Operation principle.の誘電率、A は 1 つの電極の面積を示す。ミラーの応答時間すなわち傾斜開始から完了までの時間は微小時間 ti の総和とすることができる。

-2-Mirror plate

1Vε 0 (2 A)
3i −12d−∆d4mF
ai = iMFi =vi =d2 i
2 ∑ Fi ∆d 
 1

M

(1)

θ

(2)

Virtualneutralsurface line

Mirror mass M
d3d/4

d/4m

(3)

(Fi,ai,vi,ti)
i:integer1≦i≦m

Fig.3 Model for mirror motion.

v i − v i −1ai(4)4この計算方法による時間に対するミラー変位の様子を Fig.4 で示した。サイズ 20μm×20μm×0.3μm 厚、傾斜角 10°のミラーを 30V で駆動した場合のシミュレーション結果である（以下、Displacement（μm）

ti =3.532.52Response Time1.510.50

ミラーサイズ 20μm 角のものを 20μm ミラーと称

0123456Time（μsec.）

し、他のサイズも同様である）。
ミラー移動距離 d＝20μm×sin10°＝3.47μm

Fig.4 Numerically calculated displacementを並進動作距離として 100 の微小距離に分割した。ミラーに用いる Al 合金の密度 3200kg/m から質量を M＝3.84×10‑13kg、一つの電極面積 A＝90μm2、真空中の誘電率ε0＝8.855×10‑12F/m とした。ねじり梁ヒンジによる復元力が存在しないので、傾斜変位の終わりに近づくに従い、曲線の傾きすなわち速度が増加していることが分かる。
図に示すようにデバイスの応答時間（ ResponseTime）は変位開始から終了までの時間とした。
Fig.5 はミラーサイズと印加電圧を変えた場
合のシミュレーションによる傾斜角 10°のミラ

vs. time.
109876Response time (μsec.)

310 μm15 μm
20 μm

543210102030

Driving voltage

4050(V)

Fig.5 Estimation of response time ofthe device

ーの応答時間を表している。ミラーサイズは 10μm、15μm，20μm で，ピボット高さはそれぞれ0.87μm，1.30μm，1.74μm であり、対応する電極の面積はそれぞれ 18μm2，45μm2，90μm2 である。ヒンジによる反発力や復元力がないため、応答時間はミラーサイズと駆動電圧で決まり、ミラーサイズを小さくすると同じ応答時間を得る駆動電圧を減少させることができる。

５．デバイス試作
MEMS 二次元ミラーアレイでは駆動 LSI を製作
済みの基板上に表面マイクロマシン技術によりマイクロメカニカル構造を形成する方法がよく用いられる。従って、マイクロメカニカルな構造を形成するプロセスは Si 半導体 CMOS プロセスに整合性がよく、かつ製作済みの LSI に影響を与え-3-ないプロセス温度で形成されることが必要であ同一基板上に形成した 3 種類のミラーサイズる。 今回の報告では、デバイスの基本的な動作のデバイス(a)20μm ミラー、(b)15μm ミラー、評価をする目的で LSI 回路は形成せずに、二層メ(c)10μm ミラーの SEM 像を Fig.7 に示す。ポス

タル配線を形成した後に二段階の犠牲層プロセ

トの直径を 1.2μm、ストッパの直径を 4μm にしスにより MEMS ミラーアレイ構造を形成した。

た。ピボット高さは 0.8μm であり、10μm,15μFig.6 にプロセスフローを示す。

m,20μm ミラーの傾斜角はそれぞれ 9.2°，6.1°(a) 第一メタルの AlSiCu 膜が形成されたシリコ，4.6°である。各サイズともミラー表面が平坦ン基板上にピボットを作製する。に得られ、試作プロセスがミラーデバイス形成に(b) 2.デバイス構造の項で示した電極として TiN適していることが分かった。ポストとストッパの膜をスパッタ法で成膜する。

拡大写真を(d)に示す。ミラーが傾斜変位動作中(c) ピボットを完全に覆うように第一犠牲層のにはポストだけでなくストッパにも接することフォトレジストを塗布し平坦化する。

があり、ストッパにより 4 本のポストが繋がり機(d) ミラーとなる Al 合金をスパッタ法で第一犠械的な強度を確保しつつ、ミラーとポストやスト牲層の上に成膜する。

ッパとの接触面積が小さくなる構造が得られて(e) さらに、第二犠牲層であるフォトレジストをいる。ミラーがポストやストッパに接触するとき塗布し平坦化する。

発生する機械的な抵抗力はミラーの応答特性を(f) 第二犠牲層のミラーのコーナー付近にポス悪くするので接触面積を小さくする構造が重要トとなる孔を開け、酸化膜を成膜し、孔を埋める。

であり、本デバイス構造ではそれを実現すること(g) 最後に犠牲層を酸素プラズマでアッシングが出来ている。

除去する。
６．評価結果および考察

metal 1

metal 2pivot

ミラーの動作はレーザドップラー振動計（グラフテック社製 AT7212）で評価した。測定は環境(a) pivot

湿度変動の影響を除くため、2300Pa の減圧雰囲(b) electrode

気と大気圧の乾燥窒素雰囲気で行った。Fig.8 に15μm ミラーと 20μm ミラーを 25V で駆動した場合の傾斜変位の応答特性をシミュレーション結(c) sacrificial layer 1

果と共に示した。減圧雰囲気ではシミュレーショ

(d) mirror

ンと測定結果が、残留振動成分を除き良く合っていることが分かる。窒素雰囲気では傾斜変位が遅くなっており、窒素のような粘性気体を押しつぶす時に発生するスクィーズフィルムダンピング(e) sacrificial layer 2(f) post and stopper（squeeze film damping）6)がミラーの傾斜動作に影響したためと考えられる。また、傾斜変位後に数μsec 間の残留した振動が見られる。減圧雰
囲気より窒素雰囲気で振動が小さいのは雰囲気の粘性抵抗による減衰が大きいためと考えられ(g) sacrificial layer removal

る。

Fig.6 Process flow.

-4-位開始から傾斜を完了する変位値に達するまでの時間を応答時間（Response time）とした。
15μm mirror

1.4
Displacement (a.u.)

1.260um(a) 20μm

10.80.60.4
si m ul a ti onin dr y N 2
in 23 0 0P a0.20‑0.201

Displacement (a.u.)(b) 15μm
stopperpivot

345620μm mirror

1.430um

2Time (μsec.)

1.210.80.60.4simulationin dry N2in 2300Pa

0.20‑0.20123456Time (μsec.)
mirror

Fig.8 Time response of the device.

electrodeFig.9 に 15μm と 20μm ミラーの駆動電圧に対15umする応答時間を示した。応答時間を 2300Pa の減(c) 10μm

圧雰囲気と大気圧の乾燥窒素雰囲気で測定し、シミュレーション結果との比較を行った。15μm ミ3um

ラーと 20μm ミラーともに減圧雰囲気の応答時間はシミュレーションと良く一致しているが、窒素雰囲気の応答時間は遅くなっていることが分かる。これは前述のような気体の抵抗がミラーの傾斜動作を妨げているためと考えられる。窒素雰(d) post and stopper

囲気でも駆動電圧が大きくなると駆動トルクもFig.7 The fabricated two‑dimensional mirror
array device.

増加するため、シミュレーションや減圧雰囲気での応答時間と差が少なくなっている。15V 未満の駆動電圧ではミラーが動作せず、また、40V を超

但し、この残留振動波形にはレーザドップラー

えての駆動電圧では第一メタルと第二メタル間振動計の測定周波数の制限に起因する電気的にでショートが発生したため、測定の範囲を 15V発生した振動波形も含まれており、今後詳細な解から 40V とした。ミラーと接する部材との間にフ析が必要である。残留振動を含む波形では傾斜変ァンデアワールス力などに起因する固着力-5-（stiction force）7), 8)が存在しているために、ミラーアレイを一貫して製作し、個別ミラーの駆動お

15V より低電圧での静電力ではミラーを動作さよび制御方法を開発する。

せることができなかったと思われる。

Response time(μsec.)

参考文献
15μm mirror

54.543.5
32.521.510.50Graphic Arts IV, J. Bares (ed.), Proc. SPIE Vol.

2) H. Urey and D. L. Dickensheets: Display andImaging systems, M. E. Motamedi (ed.), MOEMS,
203040Drive voltage(μsec.)

Device Imaging Bar Hardcopy, Color Hard Copy and2413, (1995), pp.58‑65.

10Response time1) W. E. Nelson and R. L.Bhuva, :Digital Micromirror

simulationin dry N2in 2300Pa

Bellingham, WA: SPIE Press, (2005).

50(V)3) G. P. Watson et al. : Spatial light modulator formaskless optical projection lithography, J. Vac.

20μm mirror

54.543.532.521.5
10.50simul ationin dr y N2in 23 00Pa

Sci. Technol., B24(6), Nov/Dec, (2006).
4) J. T. Tsai and M. C. Wu: Gimbal‑Less MEMS Two‑Axis
Optical Scanner Array With High Fill‑Factor, J. of
Microelectromechanical Systems, vol. 14, No. 6,
Dec., (2005),pp.1323‑1328.
5) K. Jung et al.: Numerical analyses of micromirror

1020304050for

Driving voltage (V)Fig.9 Response time against driving voltage.

projectionTVusing

FEM,

MicrosystemTechnologies, vol7, (2001), pp.75‑79.
6) F. Pan et al. : Squeeze Film Damping Effect on

７．結論

Dynamic Response of a MEMS Torsion Mirror, J.

ねじり梁ヒンジを用いない新構造静電駆動二次Micromech. Microeng. 8, (1998), pp. 200‑208

元ミラーアレイの開発を行った。簡単なシミュレ

7)S. A. Henck: Lubrication of digital micromirrorーションにより、ミラーの応答時間を見積もるこ

devicesTM,とができた。二層メタルの表面マイクロマシニン

pp.239‑247.

グプロセスを用いミラーデバイスを製作し、応答

8) B.Bhushan and H. Liu: Characterization of

特性を評価することができた。15μm ミラーと 20

nanomechaniccal and nanotribological properties ofμm ミラーの応答時間は減圧雰囲気でシミュレ

digital micromirror devices Nanotechnology, vol.15,

ーションと良く一致したが、窒素雰囲気では窒素(2004), pp.1785‑1791.の粘性抵抗により遅くなった。駆動電圧が 15V未満では動作せず、ミラー接触部に固着力が作用しているものと考えられる。

８. 今後の展開
高密度化のためさらに微細なミラーのプロセス開発を行う。また、LSI 制御回路基板上に二次元マイクロ-6-

Tribology

Letters,vol.3,(1997),

禁無断転載2007 年度
ビジネス機器関連技術調査報告書(発行

Ⅲ―３部)

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